Новая платформа на основе стволовых клеток проливает свет на раннее развитие человека

Новый метод создания колоний стволовых клеток, имитирующих части раннего эмбрионального развития человека, поможет исследовать важные вопросы здоровья матери и ребенка. Например, какие химические вещества опасны для эмбрионов и что вызывает определенные врожденные дефекты и повторные выкидыши?

Технология, разработанная в Мичиганском университете, имитирует стадии развития эмбриона, которые происходят вскоре после имплантации в матку. Это период, когда начинает формироваться амниотический мешок, а стволовые клетки, которым предстоит стать плодом, делают первые шаги к организации в тело. Эмбрионоподобные структуры (эмбриоиды) не способны развиваться дальше небольших клеточных колоний.

Система может надежно производить сотни или тысячи таких структур, необходимых для определения безопасности лекарств на ранних сроках беременности. Эксперименты прекращали к концу четвертого дня.

Моделирование аспектов раннего развития

Команда под руководством Цзяньпина Фу, доцента кафедры машиностроения, заставила стволовые клетки самоорганизовываться, имитируя аспекты эмбриогенеза. Были созданы три модели:

1. Эпибласт — колония стволовых клеток, из которых в основном формируется плод.
2. Начало амниотического мешка и заднего (нижнего) конца эпибласта после первых шагов дифференцировки. В реальном эмбрионе эти клетки формируют нижнюю часть плода.
3. Начало амниотического мешка и переднего (верхнего) конца эпибласта — отмеченного на этой стадии лишь отсутствием задних клеток. В реальном эмбрионе эти клетки формируют верхнюю часть плода (голову и туловище).

Модели №2 и №3 содержат лишь часть клеток эпибласта реального эмбриона: задняя модель не содержит передних клеток, и наоборот.

Решение вопросов безопасности лекарств и бесплодия

Эта система готова для скрининга лекарств на безопасность в ранней беременности. По данным CDC, из 54 самых распространенных лекарств, которые принимают беременные в первом триместре, у 63% данные о рисках «очень ограничены или удовлетворительны», и только у 4% — «хороши или отличны».

Исследование также может дать представление о причинах некоторых врожденных дефектов, таких как анэнцефалия, spina bifida или пороки сердца (40 000 случаев в год).

Поскольку система работает с перепрограммированными взрослыми клетками (а также с эмбриональными стволовыми клетками), она может пролить свет на причины бесплодия (30% пар, обращающихся за лечением, не получают объяснения).

«Это единственный способ точно изучать человеческое развитие, не используя целые человеческие эмбрионы, поскольку оно сильно отличается от развития других млекопитающих», — отметил Фу.

Микрофлюидная система для самоорганизации клеток

Для создания моделей команда выращивала стволовые клетки в масштабируемой микрофлюидной системе с тремя каналами: центральный с гелем, имитирующим стенку матки, и два боковых — для подачи стволовых клеток и химических сигналов.

В обычных 3D-культурах менее 5% кластеров стволовых клеток формировали эмбрионоподобные структуры. С этой системой, позволяющей точно контролировать среду, эффективность превышает 90%.

Сначала стволовые клетки образовывали полые шары, которые внедрялись в гель, имитируя имплантацию (модель №1).

Для модели №2 в систему добавляли химические сигналы, заставлявшие клетки на одной стороне шара становиться клетками амниотического мешка, а на другой — превращаться в клетки, похожие на задний эпибласт. Эти модели также начинали формировать первичные половые клетки (предшественники сперматозоидов и яйцеклеток).

Для модели №3 добавляли молекулы, блокирующие превращение недифференцированных клеток эпибласта в задние, что имитирует сигнал в реальных эмбрионах. Эта модель представляет верхний конец эпибласта.